AT501727B1 - Gasventil - Google Patents

Description

2 AT 501 727 B1

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Zuführen von gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einer Kolben-Brennkraftmaschine mit einem bewegbaren Schließorgan, das mit einem Schließorgansitz zusammenwirkt und zum Öffnen mittels eines Elektromagneten vom Schließorgansitz abhebbar ist, und mit einer Schließfeder, die auf das Schließorgan eine Fe-5 derkraft in Richtung des Schließorgansitzes ausübt und wobei der anstehende Gasdruck auf das Schließorgan eine Gaskraft in Richtung des Schließorgansitzes ausübt, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasventils.

Gasventile zur Zuführung von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum einer Kolben-io Brennkraftmaschine benötigen große Öffnungsquerschnitte, um in den kurzen zur Verfügung stehenden Öffnungszeiten genug gasförmigen Kraftstoff in den Zylinderraum einbringen zu können. Solche Gasventile werden oftmals durch Elektromagnete geöffnet, wobei der Elektromagnet einen ausreichenden Hub ermöglichen muss, um die notwendigen Gasmengen in den kurzen Öffnungszeiten zuführen zu können. Außerdem sind möglichst kurze Öffnungs- und 15 Schließzeiten erwünscht, damit die Zeit in der das Gasventil im Kurbelzyklus voll offen sein kann möglichst lange wird. Da die Magnetkraft aber mit Abstand des Ankers zum Magneten stark abnimmt, müssen solche Elektromagneten entweder sehr stark sein, oder der Öffnungsquerschnitt muss entsprechend groß sein. Wobei aber die mögliche Gasmenge bei den erwünschten kleinen Hüben (um die Öffnungs- und Schließzeiten möglichst kurz zu halten) im 20 Wesentlichen vom Hub vorgegeben wird. Während eines Kurbelzyklus der Kolben-Brennkraftmaschine, der in Winkelweg der Kurbelwelle ausgedrückt 720° dauert, wird einmal gasförmiger Brennstoff in den Brennraum der Kolben-Brennkraftmaschine zugeführt. Dazu stehen in der Regel nur sehr kurze Zeiten zur Verfügung, 25 weshalb das Gasventil sehr rasch öffnen und schließen muss und ausreichend Strömungsquerschnitt aufweisen muss, um die benötigte Gasmenge in der zur Verfügung stehenden Zeit einbringen zu können. Zum Einbringen des gasförmigen Brennstoffes stehen typischerweise nur 10° Kurbelwinkel des gesamten Kurbelzyklus zur Verfügung. Innerhalb dieser Injektionszeit muss das Gasventil geöffnet werden, der gasförmige Brennstoff dem Brennraum zugeführt 30 werden und das Gasventil wieder geschlossen werden. Abhängig von der Drehzahl stehen dafür somit nur wenige Millisekunden, typischenweise 1-4 ms, zur Verfügung. Das Gasventil muss folglich in der Lage sein, sehr rasch zu schalten und muss einen großen Öffnungsquerschnitt aufweisen, um innerhalb dieser kurzen Zeiten genügend gasförmigen Brennstoff zuführen zu können. 35

Bekannt sind nach innen öffnende Gasventile, die Öffnung erfolgt also in das Gasventil hinein oder aus dem Brennraum hinaus, wie z.B. in der DE 199 05 722 A1 gezeigt. Diese Gasventile öffnen somit gegen den anstehenden Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffes und müssen gegen den Brennraumdruck, also dem im Brennraum herrschenden Druck, abdichten. Da der 40 Brennraumdruck im Wesentlichen nur während der Verbrennungsphase größer ist als der Gasdruck, wird das Schließorgan durch den Gasdruck während des größten Teils eines Kurbelzyklus durch den Gasdruck gegen den Ventilsitz gepresst. Eine vorhandene Schließfeder wirkt während diesem Zeitraum nur unterstützend. Nur während der Verbrennung im Brennraum wird eine Schließfeder benötigt, die das Schließorgan gegen den bei der Verbrennung entstehenden 45 hohen Brennraumdruck gegen den Ventilsitz presst, um das Ventil gegen diesen hohen Brennraumdruck geschlossen zu halten. Das Schließorgan kann sich dabei im pm-Bereich verformen, wodurch Verbrennungsgase aus dem Brennraum austreten können, was aber für den Verbrennungsvorgang selbst kein Problem darstellt. Die Feder muss somit stark genug sein, um das Schließorgan gegen den Differenzdruck auf dem Ventilsitz zu halten, aber auch um ein mög-50 liehst rasches Schließen des Ventils nach Abschalten des Elektromagneten sicherzustellen. Das ist aber umgekehrt wiederum schlecht für das Öffnen des Ventils, da der öffnende Elektromagnet natürlich auch gegen die große Federkraft wirken muss, was einerseits die Öffnungszeiten verlängert und andererseits einen starken Elektromagneten erforderlich macht. Die Kraft des Elektromagneten ist jedoch durch den zur Verfügung stehenden Platz beschränkt, da der 55 Elektromagnet mit steigender Kraftanforderung sehr rasch größer wird. Außerdem benötigt ein 3 AT 501 727 B1 starker Elektromagnet zu viel Strom, womit ein solcher Kraftstoffinjektor unwirtschaftlich wird.

Weitere Beispiele solcher nach innen öffnender Gasventile finden sich z.B. in der DE 103 60 253 A1 und der DE 102 61 610 A1, die beide ein Ventil zum Steuern eines Fluids 5 zeigen, bei dem ein Ventilschließglied zum Öffnen gegen die Vorspannkraft einer Spiralfeder über einen mittels Elektromagnet betätigten Ventilanker axial bewegt wird.

Um dieses Problem zu beheben, wurden auch bereits nach außen in den Brennraum öffnende Gasventile vorgeschlagen, wie z.B. in der AT 412 807 B gezeigt. Solche Gasventile öffnen nach io außen und schließen gegen den anstehenden Gasdruck. Dazu wird ein Schließorgan über einen Stempel, der durch den Ventilsitz durchreicht mittels einer Schließfeder gegen den Gasdruck von außen gegen den Ventilsitz gepresst. Hier wird das Schließorgan durch den Brennraumdruck unterstützt gegen den Ventilsitz gepresst, womit zumindest das oben erwähnte Problem behoben ist. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass sich das durch die benötigten 15 Öffnungsquerschnitte großflächige Schließorgan durch den wie beschrieben über den größten Teil des Kurbelzyklus am geschlossenen Ventil anstehenden Gasdruck nicht verformt, da ansonsten auch nicht der Verbrennung unterworfener gasförmiger Brennstoff in den Brennraum eindringen könnte, was als unverbrauchter Ausstoß die Emissionswerte verschieben würde. Dafür würden bereits Spalte im pm-Bererch ausreichen. Dazu muss das Schließorgan entweder 20 sehr massiv ausgeführt werden und/oder die Schließfeder wieder sehr stark ausgeführt sein, was eben wieder beim Öffnen wegen der benötigten großen Elektromagneten nachteilig ist.

Es ist somit eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Gasventil anzugeben, das die oben angeführten Nachteile beseitigt, insbesondere kompakt aufgebaut ist, wirtschaftlich be-25 trieben werden kann und eine hohe Dynamik, also kurze Öffnungs- und Schließzeiten, bei großen Öffnungshüben ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem ein weiteres Mittel zum zumindest kurzzeitigen Erzeugen einer weiteren, von den anderen wirkenden Kräften unabhängigen auf 30 das Schließorgan wirkenden Kraft vorgesehen ist. Dadurch wird es möglich, die Bewegung des Schließorgans durch dieses Mittel aktiv und unabhängig von bzw. zusätzlich zum beschriebenen Wirkungsgleichgewicht von Schließfeder und Öffnungsmagnet zu beeinflussen, z.B. kann die Schließfeder durch diese weitere Kraft beim Schließen des Gasventils unterstützt werden, womit einerseits die Schließfeder kleiner dimensioniert werden kann und andererseits schneller 35 geschlossen werden kann. Oder es kann der Öffnungskraft des Öffnungsmagneten eine weitere Kraft entgegengesetzt werden, was den Öffnungsvorgang verlangsamen würde und so eine Steuerung des Öffnungsverlaufs bzw. der Gasinjektion ermöglichen würde. Dasselbe wäre natürlich umgekehrt auch für das Schließen möglich. 40 Besonders vorteilhaft wird ein pneumatisches, hydraulisches oder elektromechanisches Mittel zur Erzeugung dieser zusätzlichen Kraft verwendet. Von Einspritzventilen für flüssigen Kraftstoff, wie z.B. Dieseleinspritzventile, sind Ventile bekannt, die mit zwei Elektromagneten arbeiten, wie z.B. in der US 6 065 684 A oder WO 2004/097207 A1 beschrieben. Solche Einspritzventile arbeiten allerdings mit flüssigen Medium unter sehr hohen Drücken, typischerweise im 45 Bereich von 100 bar, während erfindungsgemäße Gasventil mit Drücken im Bereich von ca. 10-40 bar betrieben werden. Aufgrund der hohen Drücke und der geringen Flüssigkeitsmengen, vor allem bei der bei Dieselmotoren durchgeführten Voreinspritzung, reichen bei Einspritzventilen kleine Öffnungsquerschnitte und geringe Hübe aus. Weiters sind daher für solche Einspritzventil nur extrem kurze Schaltzeiten erforderlich, was durch die beschriebene Steue-50 rung der Elektromagnete ermöglicht wird. Die bei einem Gasventil auftretenden Probleme spielen bei einem solchen Einspritzventil folglich überhaupt keine Rolle.

Ganz besonders vorteilhaft wird das Mittel verwendet, um den Schließvorgang zu unterstützen, also so, dass die die durch das Mittel erzeugte Kraft zur Belastung des Schließorgans in Rich-55 tung des Schließorgansitzes wirkt. Damit lassen sich die oben angeführten Nachteile einer 4 AT 501 727 B1 alleinigen Schließfeder sehr effektiv beheben.

Die gegenständliche Erfindung wird im Folgenden anhand der beispielhaften, schematischen und nicht einschränkenden Fig. 1 bis 3 beschrieben. Dabei zeigt 5

Fig. 1 ein Gasventil mit zwei Ankerplatten und zwei Elektromagneten,

Fig. 2 ein Gasventil mit einer Ankerplatte und zwei Elektromagneten und

Fig. 3 die Anordnung eines solchen Gasventils in einer Kolben-Brennkraftmaschine. io Ein erfindungsgemäßes Gasventil 1 ist in einer Kolben-Brennkraftmaschine 30 angeordnet und dient der Zufuhr von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum 31 der Kolben-Brennkraftmaschine 30, wie Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt dabei der Einfachheit halber nur einen Ausschnitt der Kolben-Brennkraftmaschine 30 mit Brennraum 31. 15 Das Gasventil 1 einer Kolben-Brennkraftmaschine 30 nach Fig. 1 besitzt einen Ventilkörper 18 an dessen unterem Ende die Düse 20 ansetzt, die mit dem nicht dargestellten Brennraum 31 der hier nicht dargestellten Kolben-Brennkraftmaschine 30 zur Zufuhr von gasförmigem Brennstoff, wie z.B. Flüssiggas, Wasserstoff oder ein geeignetes Gasgemisch, in Verbindung steht. Am oberen Ende des Gasventils 1 befinden sich Einrichtungen zum Verschließen des Gasven-20 tils, zur Abdichtung, zur Zufuhr von elektrischem Strom, etc., die an sich bekannt sind, für die gegenständliche Erfindung ohne weitere Bedeutung sind und daher auch nicht näher beschrieben werden. Die Anordnung eines solchen Gasventils 1 in einer Kolben-Brennkraftmaschine 30 und die Steuerung eines solchen Gasventils 1 ist hinlänglich bekannt und folglich hier ebenfalls nicht näher beschrieben. Der gasförmige Brennstoff wird dem Gasventil 1 bei dieser Ausfüh-25 rungsvariante über eine am oberen Ende des Ventilkörpers 18 angeordnete Gaszufuhr 22 unter Druck, typischerweise 10-40 bar, zugeführt und strömt über einen außen axial gebildeten Zuführkanal 17 entlang dem im Gasventil 1 angeordneten Magnetkörper 13 nach unten zum eigentlichen Ventil 3. Dieses Ventil 3 besteht aus einem Schließorgan, hier eine im Wesentlichen ebene Ventilplatte 2, die mit einem Schließorgansitz, hier ein im Wesentlichen ebener 30 Ventilsitz 4, zusammenwirkt. Die Ventilplatte 2 weist in bekannter Weise eine Reihe von Durchbrüchen auf, um einen möglichst großen Strömungsquerschnitt für den gasförmigen Brennstoff zur Verfügung zu stellen. Der Ventilsitz 4 weist ebenfalls Durchbrüche auf, die entsprechend versetzt zu den Durchbrüchen der Ventilplatte 2 angeordnet sind, um beim Aneinanderiiegen von Ventilplatte 2 und Ventilsitz 4 eine Dichtwirkung zu bewirken. Dazu ist die Ventilplatte 2 mit 35 einem Stempel 6 verbunden und kann mit diesem bewegt werden.

Weitere Teile des Gasventils 1, wie Anschlüsse, Stromzuführung für die Elektromagnete, Dichtungen, Einstelleinrichtungen, etc., sind hinlänglich bekannt und werden daher hier nicht im Detail beschrieben. 40

Der Stempel 6 wird im Magnetkörper 13 geführt. An jedem Ende des Stempels 6 ist je eine Ankerplatte 8, 10 angeordnet, die mit je einem zugeordneten Elektromagneten 12, 14, vorzugsweise Topfmagnete, Zusammenwirken. Weiters wirkt auf den Stempel 6 bzw. auf die Ventilplatte 2 die Federkraft einer Schließfeder 16, die ebenfalls im Magnetkörper 13 angeordnet ist. 45 Dazu ist die Schließfeder 16 in einer Vertiefung des Magnetkörpers 13 angeordnet und stützt sich an der Ankerplatte 8 oder an einem Bund, oder an einem anderen geeigneten Konstruktionsteil des Stempels 6 ab. Während eines Kurbelzyklus, was in der Regel 720° Kurbelwinkel entspricht, wird das Gasventil so 1 geöffnet, während das Gasventil 1 offen ist gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum injiziert, das Gasventil 1 geschlossen und bis zum nächsten Injektionsvorgang geschlossen gehalten. Die Injektionsphase ist dabei in der Regel im Verhältnis zum Kurbelzyklus nur sehr kurz, in etwa 10° Kurbelwinkel oder wenige Millisekunden. Während der längsten Zeit des Kurbelzyklus ist das Gasventil 1 somit geschlossen. 55 5 AT 501 727 B1

Zum Öffnen des Gasventils 1 wird der Öffnungsmagnet 14 energetisiert, wodurch der Öffnungsanker 8 und damit auch der Stempel 6 angezogen und die Ventilplatte 2 angehoben wird. Das Öffnen erfolgt gegen den an der Ventilplatte 2 anstehenden Gasdruck und gegen die Federkraft der Schließfeder 16. Der Öffnungsmagnet 14 muss somit stark genug sein, um diese 5 Kräfte zu überwinden und trotzdem das Gasventil 1 mit ausreichender Geschwindigkeit zu öffnen. Sobald das Gasventil 1 öffnet, strömt gasförmiger Brennstoff durch das Ventil 3 und über die Düse 20 in den hier nicht dargestellten Brennraum 31.

Zum Schließen des Gasventils 1 wird der Öffnungsmagnet 14 ausgeschaltet. Dadurch ent-io spannt sich die Schließfeder 16, die in Folge den Stempel 6 mit der Ventilplatte 2 in Richtung Ventilsitz 4 bewegt. Der Schließmagnet 12 wird zur Unterstützung der Schließfeder 16 energetisiert, wodurch der Schließanker 10 angezogen wird und folglich eine zusätzliche Magnetkraft in Richtung des Ventilsitzes 4 wirkt. Die Schließfeder 16 kann dadurch schwächer dimensioniert werden und gleichzeitig kann eine kürzere Schließzeit verwirklicht werden. 15

Der Brennraumdruck ist außer bei Zündung und Verbrennung kleiner als der Gasdruck. Daher kann der Schließmagnet 12 nach dem Schließen des Ventils 13 wieder ausgeschaltet werden, da die Schließfeder 16 zusammen mit dem auf die Ventilplatte 2 wirkenden Gasdruck ausreicht, um das Ventil 13 gegen den Brennraumdruck geschlossen zu halten. Während der Verbren-20 nungsphase, wenn also der Brennraumdruck größer ist als der Gasdruck, wird der Schließmagnet 12 zur Unterstützung der Schließfeder 16 wieder energetisiert, um das Ventil 13 sicher geschlossen zu halten. Dadurch kann die Schließfeder 16 wiederum schwächer dimensioniert werden. Da der Schließmagnet 12 nicht ständig energetisiert sein muss, kann zusätzlich noch elektrische Energie gespart werden, womit ein solches Gasventil 1 auch wirtschaftlicher betrie-25 ben werden kann.

Es sind natürlich wie hinlänglich bekannt unterschiedlichste Ansteuerungen der beiden Elekt-romagnete 12, 14 möglich. Z.B. können kurzfristig auch beide Elektromagnete 12, 14 gleichzeitig energetisiert sein, um eine Art Vorspannung und dadurch schnellere Schaltzeiten zu errei-30 chen, indem zum gewünschten Schaltzeitpunkt bereits die volle Magnetkraft aufgebaut ist. Auch wäre es möglich, die Ventilplatte 2 während eines Schaltvorganges, z.B. während des Öffnens, durch Energetisieren des entgegengesetzt wirkenden Elektromagneten abzufangen, wodurch ein teilweises Öffnen des Ventils 13 möglich wäre. Auf diese Weise könnte z.B. die Menge des einzubringen gasförmigen Brennstoffes feiner variiert werden. 35

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gasventils 1 mit nur einer Ankerplatte 15, die zwischen zwei Elektromagneten 12, 14 angeordnet ist. Die Funktion ist im Wesentlichen dieselbe wie bei der Ausgestaltung nach Fig. 1, sodass diese nicht erneut beschrieben wird. 40

Die Ventilplatte 2 und der Stempel 6 sind hier zudem einstückig ausgeführt. Am der Ventilplatte 2 abgewandten Ende des Stempels 6 ist die Ankerplatte 15 angeordnet, die abwechselnd von einem der beiden Elektromagnete 12, 14 angezogen wird. Wie oben bereits beschrieben, können für bestimmte Betriebsarten aber natürlich auch beide Elektromagnete 12, 14 gleichzeitig 45 energetisiert werden.

Obwohl die Erfindung nur anhand von Ausführungen mit zwei Elektromagneten beschrieben wird, wäre es aber selbstverständlich auch möglich, anstatt des oder zusätzlich zum zweiten Elektromagneten 12, hier zum Schließen des Ventils 3, eine pneumatische oder hydraulische so Betätigung vorzusehen. Dabei würde z.B. ein oder mehrere Pneumatik- oder Hydraulikkolben auf die Ventilplatte 2 oder indirekt über den Stempel 6 auf die Ventilplatte 2 wirken, um eine zusätzliche Kraft zum Bewegen der Ventilplatte 2 zu erzeugen. Der/Die Pneumatik- oder Hydraulikzylinder würde(n) dabei wie hinlänglich bekannt von einem geeigneten Druckmedium versorgt und durch bekannte Pneumatik- oder Hydraulikventile gesteuert. 55

Claims (6)

1. 6 AT 501 727 B1 Ebenso wären aber auch noch andere prinzipiell bekannte Mittel zum Erzeugen einer Kraft denkbar, wie z.B. elektro-mechanische Aktuatoren, wie induktive Aktuatoren oder piezoelektrische Aktuatoren. 5 Die konstruktive Anordnung solcher Mittel zum Erzeugen einer Kraft im Gasventil 1, analog zur Anordnung eines zweiten Elektromagneten, liegt im Bereich der normalen Tätigkeit eines Fachmanns und es wird folglich nicht näher darauf eingegangen. io Patentansprüche: 1. Gasventil zum Zuführen von gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum (31) einer Kolben-Brennkraftmaschine (30) mit einem bewegbaren Schließorgan (2), das mit einem Schließorgansitz (4) zusammenwirkt und zum Öffnen mittels eines Elektromagneten (14) vom is Schließorgansitz (4) abhebbar ist, und mit einer Schließfeder (16), die auf das Schließor gan (2) eine Federkraft in Richtung des Schließorgansitzes (4) ausübt und wobei der anstehende Gasdruck auf das Schließorgan (2) eine Gaskraft in Richtung des Schließorgansitzes (4) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Mittel zum zumindest kurzzeitigen Erzeugen einer weiteren, von den anderen wirkenden Kräften unabhängigen auf 20 das Schiießorgan (2) wirkenden Kraft vorgesehen ist.
2. 2. Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel ein hydraulisch oder pneumatisch betätigter Kolben vorgesehen ist, der auf das Schließorgan (2) wirkt.
3. 3. Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel ein elektromechani sches Mittel, wie ein weiterer Elektromagnet (12), ein piezoelektrisches Element oder ein induktives Element, vorgesehen ist und dessen im energetisierten Zustand wirkende Kraft auf das Schließorgan (2) wirkt:
4. 4. Gasventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Mittel eine Kraft zur Belastung des Schließorgans (2) in Richtung des Schließorgansitzes (4) erzeugt.
5. 5. Verfahren zum Betreiben eines Gasventils zum Zuführen von gasförmigen Kraftstoff in den 35 Brennraum (31) einer Kolben-Brennkraftmaschine (30), wobei während eines Kurbelzyklus das Gasventil (1) geöffnet, offen gehalten, geschlossen und geschlossen gehalten wird, indem ein Schließorgan (2) durch einen gegen den Gasdruck öffnenden Elektromagneten (14) gegen eine Schließfeder (16) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kurbelzyklus zumindest kurzzeitig eine weitere, von den anderen wirkenden Kräften 40 unabhängige auf das Schließorgan (2) wirkende Kraft erzeugt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kraft bezüglich des Kurbelzyklus periodisch erzeugt wird. 45 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 50 55